Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. цель и задачи исследования
1.1 Свойства минеральных удобрений как объекта смешивания 8
1.2 Существующие технические средства 9
1.2.1 Анализ конструкций и классификация средств выгрузки сыпучих мате-риалов .10
1.2.2 Анализ конструкций и классификация средств для смешивания сыпучих материалов 14
1.2.3 Анализ конструкций и классификация средств для дозирования сыпучих материалов 21
1.3 Способы смешивания сыпучих материалов 27
1.4 Контроль качества смеси 30
1.5 Истечение сыпучих материалов 34
1.6 Выводы. Цель и задачи исследований 37
2 Теория рабочего процесса устройства для дозирования, смешивания и выгрузки минеральных удобрений
2.1 Конструктивно-технологическая схема устройства для дозирования, смешивания и выгрузки минеральных удобрений 38
2.2 Образование динамических сводов сыпучих материалов 39
2.3 Зависимость колебаний стержня при горизонтальной вибрации в точке подвеса 45
2.4 Определение скорости истечения сыпучих материалов 49
2.5 Определение подачи спирально-винтового дозатора сыпучих материалов 52
2.6 Определение зависимости длины загрузочного окна от частоты вращения спирально-винтового рабочего органа 56
2.7 Расчет энергетических параметров устройства для выгрузки сыпучих ма-териалов .60
2.8 Выводы 62
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа исследований 63
3.2 Приборы и средства измерений для исследований .63
3.3 Общие виды лабораторных установок и средств измерений .64
3.4 Методика исследования подачи устройства для выгрузки минеральных удобрений 66
3.5 Методика определения качества смеси 67
3.6 Методика определения физико-механических свойств сыпучих материа-лов 70
3.7 Методика определения подачи и погрешности дозирования спирально-винтового дозатора 74
3.8 Методика определения истечения сыпучего материала 76
3.9 Методика обработок данных и ошибок измерений 77
3.10 Выводы 82
4 Результаты экспериментальных исследований
4.1 Физико-механические свойства сыпучего материала 83
4.2 Исследование сводообразования и истечения сыпучих материалов .85
4.3 Исследования дозирования сыпучих материалов 90
4.4 Исследование устройства для выгрузки минеральных удобрений .97
4.5 Результаты производственных исследований 104
4.6 Результаты определения качества смеси удобрений 107
4.7 Выводы 110
5 Технико-экономическая эффективность исследований
5.1 Стоимость изготовления устройства 112
5.2 Экономическая эффективность применения устройства 116
5.3 Выводы 117
Общие выводы 118
список литературы .
- Существующие технические средства
- Зависимость колебаний стержня при горизонтальной вибрации в точке подвеса
- Методика исследования подачи устройства для выгрузки минеральных удобрений
- Исследования дозирования сыпучих материалов
Существующие технические средства
Для того чтобы выполнить качественное смешивание минеральных удобрений нужно знать основные физико-химические и механические свойства, ниже описана характеристика основных свойств удобрений. - влажность;
Основные технологические операции и рабочие процессы в сельскохозяйственном производстве осуществляются путем транспортирования и обработки материалов, для чего применяются сотни типов рабочих органов машин, порой не универсальных, металло- и энергоёмких.
Спирально-винтовые транспортеры известны достаточно давно и большинство мировых производителей имеют в линейке выпускаемого оборудования транспортные машины подобного типа, но отечественное машиностроение только недавно начало разрабатывать и производить подобные машины [18, 25, 34, 35, 40, 75].
Спирально-винтовые транспортёры представляют собой трубу, внутри которой установлена спираль, один конец которой соединен с валом, и имеет различные приводы. Особенностью данной конструкции является полное отсутствие деталей, препятствующих свободному продвижению материала в корпусе транспортера. Не имея на своем пути дополнительных препятствий в виде подшипниковых опор, шестерен, цепей и т.д., транспортируемый продукт практически в полном объеме движется к выходу транспортера, что исключает появление застойных зон или переуплотненных участков. Кроме перемещения материалов данные транспортеры, возможно, использовать в качестве смесителей сыпучих материалов, так и сыпучего материала с жидкостями. Также использование в качестве дозаторов [65, 66, 67, 73,86].
Из-за отсутствия центрального вала степень заполнения спирально 10
винтового транспортера материалом выше чем, в шнековых. Место, которое раньше занимал вал, теперь полностью заполнено транспортируемым материалом, а значит, его больший объем может быть перемещен за один оборот винта.
Имея более простую конструкцию, спиральные транспортеры содержат меньшее количество деталей, контактирующих с перемещаемым материалом, что увеличивает надежность и безотказность транспортных машин этого типа.
Анализ конструкций и классификация средств выгрузки сыпучих материалов
Устройства для выгрузки сыпучих материалов [8, 33, 56, 81, 83, 87, 90], в частности минеральных удобрений подразделяются: по способу отдачи перемещаемому материалу силы передвижения: - приведение в действие с помощью механизмов; - устройства, в которых материала движется самотеком под действием собственной массы; - устройства пневматического транспорта [38, 45], в которых силой передвижения являются воздушные потоки; по принципу прикладывания силы передвижения и конструкции: – с тяговым механизмом (шнеком, спиралью); - без тягового механизма; по направлению и пути передвижения материал: - вертикально сомкнутые (располагаются в вертикальном направлении и перемещают материалы по пути, состоящей из одного или нескольких прямых составных частей); - горизонтально сомкнутые (располагаются в одном горизонтальном направлении на одном горизонтальной поверхности по сомкнутой линии); - объемные (располагаются по всему объему и перемещают материалы по сложной объемной дорожке с горизонтальными, наклонными и верти 11 кальными составными частями); по функциям и расположению на производственном участке: - недвижимые; - движимые, распределительные с собственным циклично возвратным фиксированным перемещением (челноковые); - передвигаемые; - мобильные.
Погрузчик «Технолог-4000» (рисунок 1.1) предназначен для загрузки различных сыпучих материалов на высоту 3400 мм, под углом наклона шнека 600, диаметр шнека составляет 114 мм, установленная мощность 2,7 кВт, объем приемного бункера составляет 0,3 м3, производительность 4 м3/ч, масса данного погрузчика не более 200 кг [100].
Зависимость колебаний стержня при горизонтальной вибрации в точке подвеса
Полученные формулы (2.54, 2.55) позволяют определить расход бактериального удобрения, как трудносыпучего материала с учетом геометрических и режимных параметров конического бункера.
В формулах (2.54) и (2.55) представлено, что предельные значения расхода и скорости истечения сыпучего материала не зависят от высоты столба истечения над выпускным отверстием. Они показывают зависимости лишь радиуса г и угла а = arctgb.
Определение подачи спирально-винтового дозатора сыпучих материалов Дозаторы являются техническими устройствами для подачи стабильной регулируемой массы (объёма) различных материалов из бункера и отпуск определенной порции (дозы) материала. Дозирование может совершаться по объему или по массе.
В данное время массово используются разнообразные конструктивные выполнения дозаторов, каждый из которых имеет превосходства при назначенных условиях эксплуатации и организации загрузки, однако универсального функционального решения не существует. Тип дозатора предпочитают в каждом отдельном случае в зависимости от характеристики транспортирующего материала, производительности и производственных ситуаций. Рассмотрим в данном случае спирально-винтовые дозаторы, которые часто используют в сельскохозяйственном производстве.
В общем случае, при определении подачи спирально-винтового дозатора воспользовались исходной формулой, рекомендованной учеными Резни 53 ком Е.И., Артемьевым В.Г.[36], которая зависит от многих факторов таких как: физико-механические свойства материала, углы трения, угла наклона трассы, размеры кожуха и рабочего органа, скорости вращения рабочего органа и т.д. В основном используют формулу (2.56) для расчета подачи материала:
Среднюю скорость перемещения сыпучего материала находят, как при расчете тихоходного условия перемещения, при котором учитывается, что осевая скорость сыпучего материала соответствует осевой скорости спирально винта. Но при этом не учитывается, что при перемещении сыпучего материала часть его пересыпается через витки спирального винта, в результате происходит отставание сыпучего материала от осевой скорости спирального винта. При дальнейшем расчете следует принимать коэффициент осевого отставания сыпучего материала, он рассчитывается из экспериментальных исследований [24, 78].
Исследуем движение сыпучего материала при вращении спирального винта. Анализ транспортирования сыпучего материала спирально-винтовым рабочим органом показывая, что объем сыпучего материла, находящийся между витками в продольном сечении, наклонен к горизонтали под углом J3 естественного откоса (рисунок 2.10)
В исследованиях спирально-винтовых рабочих органов указывается, что в большинстве опытных данных, коэффициент заполнения кожуха
Используя формулу (2.70) для определения подачи спирально-винтового дозатора позволяет получить более точные результаты.
Сравнение экспериментальных исследований с теоретическими представлено на рисунке 4.11. зависимости длины загрузочного окна от частоты вращения спирально-винтового рабочего органа
Для устойчивой работы спирально-винтового рабочего необходимо выполнить условие, чтобы максимальная производительность рабочего органа не превышала или была равной пропускной способности загрузочного окна кожуха. Сыпучий материал подается в кожух из приемного бункера.
Методика исследования подачи устройства для выгрузки минеральных удобрений
Разрабатывая спирально-винтовой погрузчик, определяют конструктивные и режимные параметры, влияющие на производительность погрузчика и энергетические параметры. Определяют взаимодействие между производительностью и физико-механическими свойствами сыпучих материалов. Для этого было изготовлена установка (рисунок 2.1) описание работы которой представлено в п.2.1.
На рисунке 3.6 представлена заборная часть спирально-винтового погрузчика. Определение производительности погрузчика проводили на сыпучих материалах: аммиачная селитра (рисунок 3.6 а), азофоска (рисунок 3.6 б) различных по грануло метрическому составу и другими физико-механическими свойствами.
Для определения качества смешивания, нужно представить условно смесь двухкомпонентной. По уровню распределения контрольного ингредиента, представляется возможность оценить качество смеси. В итоге, в двух-компонентной смеси примем за случайную величину содержание контрольного ингредиента X [43, 46, 79, 92].
Случай величина X может быть представлена, при известных параметрах: закон распределения, математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение. В большинстве исследований в качестве основного параметра оценивающего качество смеси утверждают среднее квадратичное отклонение s [17, 37, 40, 42, 80, 89, 96]. Среднеквадратичное отклонение определяют по формуле:
Схождение по вероятности величины X с математическим ожиданием случайной величины X происходит при большом числе проб. Использование только среднеквадратичного отклонения s не может полностью оценить качество смеси, так как оно зависит от X, поэтому приходится использовать относительную величину S .
В данной работе примем за параметр оценивающий качество смеси -коэффициент вариации V. По численной величине коэффициента V качест-во смеси разделяют на следующие группы: V 5% - отличное, V = 5... 10% -хорошее, V =10...20% - удовлетворительное. Методика отбора проб прово дилась в соответствии с ГОСТ [22].
Качество смешивания определим по двум показателям: коэффициент неоднородности, равномерность распределения бактериального удобрения на поверхности гранул минерального удобрения.
Первый показатель находится в зависимости от различных субъективных факторов таких как: компетентность персонала, технические характеристики смесителей, качество поставляемых ингредиентов. Коэффициент неоднородности определяется, как соотношение: 100
Соотношение препарата на гранулах минерального удобрения определим при помощи рентгеноспектрального анализа, на анализаторе БРА-17-02. По методике ПНД Ф 16.1:2.2:3.65-10. В качестве химического индикатора примем диоксид кремния (SiO2), так как основным компонентом в бактериальном удобрении является диоксид кремния.
Второй показатель, равномерность распределения на поверхности гранул, определим по методике [69]. Для нахождения концентрации ключевого компонента вначале содержимое пробы равномерным слоем распределяют на гладкой поверхности, фотографируют. После этого производится компьютерная обработка полученного изображения с помощью функций Read математической программы Mathematica или других, которое представляется в виде массива чисел. Каждый элемент этого массива соответствует пикселю исходного изображения и имеет значение от 0 до 255. При этом считается, что к частицам одного материала (светлого) относятся пиксели от 0 до 127, а к другому (темному) от 128 до 255. Концентрация компонентов смеси в исследуемой пробе находится путем подсчета пикселей каждого цвета. После определения концентрации вычисляется равномерность распределения бактериального удобрения на поверхности гранул минерального удобрения:
Насыпной плотностью материала, называется масса вещества, содержащегося в единице объёма, занимающего этим материалом. Насыпную плотность определим с помощью прибора (рисунок 3.7) [19, 32, 77]. Мерный сосуд 1 со штырем 2, вокруг которого поворачивается рамка 3. Высота сосуда равна двум его внутренним диаметрам, а высота рамки – 1/3 высоты сосуда. При определении насыпной плотности диаметр сосуда должен быть не менее 10 раз превышать размер типичных кусков материала.
Поворотную рамку устанавливают так, чтобы её стенки являлись продолжением стенок сосуда, после засыпают в сосуд материал до верха рамки, далее поворачивают рамку вокруг штыря, которая срезает излишек насыпного материала. Оставшийся в сосуде материал взвешивают и определяют насыпную плотность, среднее значение
Исследования дозирования сыпучих материалов
Согласно методике определения экономической эффективности применения в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских работ, новых устройств, является прирост производства продукции, повышение качества и получаемый при этом экономический эффект.
Экономический эффект, складывается из суммарной экономии всех производственных затрат, которую получает предприятие в результате использования новой техники и рационализаторских предложений, которая отразится на увеличении дохода. Также рассчитываются прирост валовой продукции, увеличение урожайности, срок окупаемости дополнительных капиталовложений, рентабельность производства, повышение производительности труди и другие параметры [41, 52].
Расчет экономической эффективности, разработанного комбинированного устройства для погрузки и смешивания минеральных удобрений проведен в сравнении с известными приспособлениями для погрузки и смешивания минеральных удобрений.
Из результатов расчётов видно, что внедрение разработанного устройства для погрузки и смешивания минеральных удобрений позволяет снизить энергоёмкость процесса в 3,2 раза, капитальные затраты в 7,6 раз и получить годовой экономический эффект 16875 рублей, со сроком окупаемости 2,18 года на одну машину (в ценах 2013 года).
1. Исходя из проведенных производственных испытаниях разработанного устройства для погрузки и смешивания минеральных удобрений установлено, что подобные устройства позволяют их использование в сельскохозяйственных предприятиях, не понижая качество смеси по сравнению с выпускаемыми аналогами.
1. Разработана конструкция устройства для дозирования, смешивания и выгрузки удобрений, которое обеспечивает требуемое качество смешивания удобрений и точности их дозирования. Новизна технического решения конструкции предлагаемого устройства подтверждена патентами РФ на полезную модель № 117828, № 118051, № 121987, № 123941 и изобретение № 2486479.
2. Выполнено теоретическое обоснование процесса истечения удобрений из бункеров при различных конструктивных параметрах. Получены теоретические закономерности разрушения сводов удобрений над выпускным отверстием бункера дозатора. Выведены зависимости расхода и скорости истечения удобрений из бункеров от физико-механических свойств удобрений и конструктивно-режимных параметров дозатора. Получено уравнение подачи спирально-винтового дозатора с учетом приведенных выше факторов.
3. Исследования процессов истечения удобрения показали, что истечение удобрения из выпускного отверстия конического бункера происходит при диаметре отверстия, превышающем 28 мм. Наибольшая подача дозатора, равная 57,1 кг/ч, достигается при диаметре рабочего органа 35 мм, частоте его вращения 1000 мин и диаметре кожуха 36 мм.
Оптимальными параметрами выгрузного рабочего органа, полученными из условия обеспечения минимальной энергоемкости процесса при требуемом качестве смешивания, являются следующие: внутренний диаметр кожуха устройства - 0,08 м, диаметр рабочего органа - 0,072 м, шаг спирали -0,07 м, угол наклона кожуха - 35. - при смешивании и выгрузке удобрений оптимальная частота вращения рабочего органа, при которой обеспечивается наименьшая энергоем кость, равная 0,39 кВтч/кг, составила 870 мин ; при этом подача аммиачная селитра составила 5 т/ч, а азофоски - 4,6 т/ч; смесь удобрений соответствует предъявленным требованиям: неоднородность покрытия гранул аммиачной селитры бактериальным удобрением составляет 11,8 %, азофоски - 16,6 %, при требуемой неоднородности смеси до 20 %. Коэффициент неоднородности смеси с аммиачной селитрой составил 4,95 %, с азофоской -6,67 %., что соответствует хорошей группе оценки качества смеси
Разработанное устройство для дозирования, смешивания и выгрузки удобрений позволяет снизить энергоёмкость процесса в 3,2 раза по сравнению с комплексной установкой, включающей смеситель «СПП-1040» и погрузчик «Технолог-4000», при требуемых качестве смешивания удобрений и точности их дозирования, а также получить годовой экономический эффект в размере 16875 рублей, со сроком окупаемости предлагаемого устройства 2,18 года.
